你知道愛因斯坦在他人生中發(fā)表的第一篇論文是關(guān)于什么的嗎？

這個(gè)現(xiàn)象在日常生活中無處不在。

海綿和毛巾為什么可以吸水？土壤中為什么可以鎖住大量的水？

靠它甚至還可以用來檢驗(yàn)和分離各種物質(zhì)？

愛因斯坦的人生中的第一篇論文，就是關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的研究。大概和很多人不想看自己寫的小學(xué)生作文一樣，愛老爺子在這之后表示自己的這篇論文「毫無價(jià)值」……

毛細(xì)現(xiàn)象

歷史上第一個(gè)明確地觀察和記錄到了毛細(xì)作用是萊昂納多 · 達(dá)芬奇，對，就是那個(gè)畫了蒙娜麗莎的達(dá)芬奇。毛細(xì)現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)可以稱得上是一個(gè)有點(diǎn)新鮮的事物，只需要把毛細(xì)管浸入到水中，那么水就會在管道中上升一定高度，高于原來的液面。

在 1660 年，好奇的愛爾蘭化學(xué)家羅伯特 · 博伊爾做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，他把毛細(xì)管浸入到葡萄酒中，然后減小整個(gè)裝置的氣壓，他發(fā)現(xiàn)真空對毛細(xì)管中的液體的高度沒有任何的影響。

液體在毛細(xì)管中會上升這件事情很快就引起了當(dāng)時(shí)科學(xué)家們的關(guān)注，是不是因?yàn)榭諝獠蝗菀走M(jìn)入毛細(xì)管，而液體容易得多，所以毛細(xì)管內(nèi)才會更多地傾向于裝滿液體？或者說液體是被吸引到毛細(xì)管內(nèi)的內(nèi)壁上，內(nèi)壁對液體具有吸引力？

在認(rèn)識到表面張力這件事情以后，所有問題迎刃而解。

大家通常見到的關(guān)于表面張力的解釋是這樣的，因?yàn)橐后w內(nèi)分子（或者原子）擁有內(nèi)聚力，處在內(nèi)部的液體分子在每個(gè)方向上受力相同，導(dǎo)致凈力為零。但是表面上的分子則不一樣，它們?nèi)鄙倭藖碜粤硗庖粋€(gè)側(cè)面的受力，因此被向內(nèi)拉。 這會產(chǎn)生一些內(nèi)部壓力并迫使液體表面收縮到最小區(qū)域。

這種說法很直觀，也很容易讓人理解，但其實(shí)表面張力的作用方向并不是垂直于液體表面的，而是和液體表面相切（雖然它們的合力是指向液體內(nèi)部的）。而且在液體的內(nèi)部，分子與分子之間不僅僅存在著吸引力，同時(shí)也存在著排斥力。如果忽略了這些排斥力的存在，那液體就會一直收縮，這顯然說不太通。

從能量的角度來理解表面張力會更為準(zhǔn)確一些，本來所有分子的能量都位于勢能最低的地方，但是在表面出現(xiàn)以后，周圍環(huán)境變了，位于表面的分子所處的勢能變了，它們此時(shí)所處的能量并不是原來最低的能量位置，而這部分多出來的能量，正是表面能，和表面面積成正比。

一句話解釋的話，液體內(nèi)心 os 大概是這樣的：分手的理由只有一個(gè)，我們不合適??！和表面在一起太累了，我更想去舒服點(diǎn)能量低的地方待著?。?span id="s0sssss00s" class="color-gray-02 font-size-12">[3]

不過也并不是所有情況都是這樣的，比如水和玻璃接觸的時(shí)候就特別的開心，此時(shí)兩者的接觸面上不再是分子們討厭的去處，而是他們向往的地方，因?yàn)槟芰康桶。?span style="text-decoration: line-through" class="color-gray-02">從此它們就過上了幸福美滿的生活。

楊-拉普拉斯公式

在歷史上，直到 1805 年，兩位研究人員才開始成功地對毛細(xì)管作用進(jìn)行定量測量：英國的托馬斯 · 楊和法國的拉普拉斯，他們推導(dǎo)出毛細(xì)管作用的楊-拉普拉斯方程。表面張力會導(dǎo)致液面彎曲，從而產(chǎn)生壓強(qiáng)差，讓毛細(xì)管內(nèi)的液體的得以上升一定的高度。

楊-拉普拉斯方程正是描述了這種定量關(guān)系，壓強(qiáng)的二階變化量和液體表面的平均曲率成正比。

所謂曲率，其實(shí)指的是一條曲線，取其中的一小段，看它到底有多彎，多么地像圓。這個(gè)圓的半徑的倒數(shù)，就被稱為曲線在這個(gè)地方的曲率。對于一個(gè)曲面而言，通過某個(gè)點(diǎn)，可以畫出無數(shù)條曲線，而這些曲線在這一點(diǎn)處總是存在一個(gè)最大曲率 1/R1，一個(gè)最小曲率 1/R2，兩者的平均值就被稱為平均曲率，也就是方程里出現(xiàn)的那一項(xiàng)。

做一道絢爛的彩虹

生活中最容易實(shí)現(xiàn)的毛細(xì)現(xiàn)象，其實(shí)就是紙巾了。紙巾的超強(qiáng)吸水性，一部分來自于其內(nèi)部纖維的空隙。另一部分則是因?yàn)槠淞己玫挠H水性。

如果僅僅是空隙，并不能夠吸水。比如說平常我們使用的海綿，它可以把水吸得飽飽的，但是卻不能用來吸水銀。硬塞進(jìn)去也不行的那種。

如果把各種顏色的水放在一起，我們就能用紙巾吸出一道漂亮的彩虹啦~

這種做法看上去好像有點(diǎn)作弊……實(shí)際上化學(xué)家們用的薄層色譜法可能更符合我們?nèi)粘Ｒ饬x下的「彩虹」。他們利用毛細(xì)現(xiàn)象來區(qū)分不同的化學(xué)物質(zhì)和成分。這些可以流動(dòng)的液體（流動(dòng)相）在毛細(xì)作用下緩慢地將混合物樣品中的不同組分由下而上帶動(dòng)爬升。

因?yàn)橐后w中各組分與用來讓液體爬升的材料（固定相）的作用力不同，在流動(dòng)相中溶解度也不同，導(dǎo)致各組分的上升速度有差異而最終在板上形成上下不一的斑點(diǎn)，從而達(dá)到分離混合物的目的。

過呀過柱子

有機(jī)化學(xué)家做完化學(xué)實(shí)驗(yàn)，往往得到的是一個(gè)亂燉大雜燴——各種各樣的反應(yīng)物，催化劑，各種各樣的化學(xué)反應(yīng)中間副產(chǎn)物，而我們最終想要的產(chǎn)物只有一點(diǎn)點(diǎn)，混在這里面，這時(shí)候他們就需要通過「過柱子」來得到最終產(chǎn)物。柱子的標(biāo)準(zhǔn)名稱為色譜柱，比較常用的有諸如硅膠柱等。整個(gè)過程很長，一根柱子普遍需要過數(shù)個(gè)小時(shí)甚至更長時(shí)間。

雖然耗時(shí)這么長，也并不意味著你可以把柱子放那兒不管然后自己去干別的——因?yàn)橹颖仨氁恢倍⒅判?。你需要隔一段時(shí)間通過前面提到的薄層色譜方法，看現(xiàn)在柱子里出來的東西到底是什么：有的時(shí)候前面一個(gè)組分和后面一個(gè)組分之間就差那么四五滴，你要是錯(cuò)過了，那整個(gè)實(shí)驗(yàn)可能就全白費(fèi)了。[6]

也難怪很多人如此地厭惡過柱子了

科研，做實(shí)驗(yàn)，就是這樣痛?并快樂著

參考鏈接:

[1]?http://120.52.51.18/www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1901_4_513-523.pdf

[2]?www.youtube.com/watch?v=9wTGKpq3Ugk

[3]?www.zhihu.com/question/28176348/answer/39717338

[4]?brickisland.net/cs177/?p=144

[5]https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Book%3A_Organic_Chemistry_Lab_Techniques_(Nichols)/2%3A_Chromatography/2.0%3A_Prelude_to_Chromatography

[6]?www.zhihu.com/question/32243196/answer/55584624

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